低谷之后，崭露头角
在寸金寸土的红磡地带，香港理工大学闹中取静，砖红色的楼宇矗立其间，显得遗世独立。工作日，张需明常常会穿梭在几栋楼之间，教课、做实验。
在张需明看来，微流体技术是一门与社会生活联系十分紧密，同时又非常有趣的学科。在神奇的微观世界中，运动于狭窄通道中的微流体，与花洒、水管喷出的乱流不同，它们状态非常稳定，以有组织的平行流沿通道向下流动，其流体和颗粒严格遵循数学上可预测的路径，简直是一大奇迹。
这种广泛存在于大自然中的层流现象，长期以来也激发出无数科研人员的灵感。在现代精密工程和医疗设备设计领域中，微流体技术正发挥着越来越重要的作用。从实际出发做科研，实现科技成果转化，是张需明一直以来的心愿。
面对目前国内外广泛采用的污水处理工艺存在的难以去除对人体有害的生物难降解有机物的问题和紫外光消毒技术缺乏持久性消毒能力的现象，张需明带领团队着手探讨可以与紫外消毒相结合的改进的消毒技术。
在研究中，他们研发出紫外光催化技术。这是一种利用紫外光能驱动的高级氧化技术，既可以去除现有工艺出水中的生物难降解有机物，又可以破坏致病菌的细胞壁，强化紫外杀菌过程，消除紫外杀菌不能持久杀菌和细菌复活的隐患。经过多年探索研究，他们同时解决了上述常用污水处理工艺面临的两大难题。
2013年，中国批准裸藻作为新资源食品，由此开启了微藻庞大市场的快速增长。根据欧洲藻类生物质协会2021年的报告，到2028年微藻产品市场规模将达到18亿美元，年增长率大于10.3%。此外，随着碳排放要求越来越严格，能够大量吸收二氧化碳的微藻养殖也为要实现碳达峰和碳中和的国家提供了一个颇有前景的商业化路径。
针对这些需求，张需明带领团队研发出单细胞微藻育种芯片。这一芯片利用微流控平台形成大规模单细胞微藻阵列，集成流体、温度、光照等微环境控制功能。它可以监测微藻生长及目标产物的含量，进行微藻培养及快速批量筛选，从大量诱导变异微藻源中快速高效选育获得高产藻株，定向生产特色高价值营养成份（如DHA、EPA、油脂、多糖等），并探索出优化培养条件，提高产率，降低成本。
利用微藻选育芯片，可以将一次选育周期从6个月缩减到1个星期，把需要长时间（数年的量级）的培养条件优化缩减至几天的量级，把一个选育周期只能测试一个或少数几个藻种提高到批量筛选几百到几万个藻种，大幅提高获得最优藻种的成功率。目前，张需明带领团队已经开发了第一代芯片，期望进行实际的工业应用和推广。
当前，碳排放问题急需全球性的努力来避免灾难性气候变化。张需明认为，将二氧化碳转化为有价值的、富含能量的材料，是具有经济性和可持续性的解决方案。于是他带领团队模拟自然光合作用，开发出人工光合作用（APS）系统，利用阳光将二氧化碳转化为葡萄糖前体，为进一步加工成食品提供基本原料。
他研究利用微流控平台来简化光捕获和分步酶促反应，使用可吸收可见光的半导体光催化剂（例如C3N4、Cu2O、Au/TiO2）来取代叶绿素，以高效利用太阳光、提高耐用性。此外，他还使用NaHCO3溶液可控地增高二氧化碳浓度。更重要的是，张需明通过将RuBisCO和其他酶固定在微反应器不同区域或微流控平台的不同微滴上，提高了酶活性，使得酶可被重复使用，也避免了逆反应和交叉污染。
在近期的研究中，张需明带领团队实现了以13.8μmol g-1 RuBisCO min-1的产率来连续生产葡萄糖前体，显著提升了RuBisCO的性能，提高了酶稳定性（储存稳定性增加7.2倍，热稳定性6.7倍）和可重复性（5次循环使用后仍保有90.4%的活性，10次循环后保有78.5%）。
此研究利用微流控平台技术来复现APS途径，仅用很少量的RuBisCO就能连续合成葡萄糖前体。因此被学界寄予厚望：“尽管与工业生产尚有距离，但张博士的工作演示了基本食物材料的人工合成，将有益于缓解粮食危机，也可能对载人空间站和未来太空移民有用。”
基于相关研究，2011年至今，张需明多次在国际光流体学多学科会议、国际先进技术材料会议、国际微化学与微系统研讨会等国际学术会议上获得最佳墙报奖、最佳论文奖。在2018年，张需明还荣获IOO国际基金会和国际光流体协会颁发的创新奖。
深耕微流控技术领域多年，迄今为止，张需明已经在国际权威期刊发表论文200余篇，相关成果多次被媒体以专题、亮点、封面形式报道。而在不远的未来，张需明最希望的，就是这些科技成果都能一一得以转化落地。因此，在他近年来的招生要求中，最醒目的一条就是“目标为毕业后去深圳开个小公司，把研究成果做成产品”。
启发引导，创造自由
生活里急脾气的张需明，做起科研来却慢悠悠。这种慢里边，有一种笃定的自信和不急于求成的非功利心态。带团队的过程中，他根据自己过往的经历，以及从老师们那里传承来的宝贵经验，形成了一套自己的方法学。
张需明从来不会强制给学生规定任务和目标，一般只是确定研究方向，定期询问进度，与学生一起复盘、总结。他尤其注意给不同的学生分配差别较大的方向，避免趋同竞争。张需明希望学生做研究能“做得爽”，真正将这当成一种爱好，在兴趣驱动下，自发去探索和交流。而学生们也常常不负所望，既保持着对科研的热爱，也接连做出成果，这令张需明倍感欣慰。
2016年，张需明指导的研究生蔡智聪和杨沛航研究出太阳能光催化污水净化器，成本只为传统污水净化花费的十分之一，受到《星岛日报》的报道。2018年，在第十一届全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛决赛中，张需明指导的学生项目，从来自清华大学、上海交通大学、浙江大学、台湾大学、香港理工大学等105所高校的千余名学生带来的213个科技创新项目中脱颖而出，荣获二等奖，为节能减排贡献了创新力量。
在对本科生的教学当中，张需明延续了自己带研究生的风格，给予学生宽松的学习环境。与此同时，面对物理学复杂的理论常常让学生摸不清楚头脑的状况，张需明也在不断改进自己的教学方式和内容，以生动的案例和趣味性的讲解引起学生的兴趣。
作为应用物理系的副主任、研究委员会主席，张需明对学科的发展、学生的就业前景十分关心。为此，他积极调整学科方向，以“既不能丢掉物理的根子，也要去面向社会的热门应用”为原则，开设了多门与社会需求紧密结合的课程，辐射物理、人工智能等新兴领域通通被纳入课程体系当中。
拓展学科边界、尽量接近社会需求的同时，张需明还切实推动学术交流，为研究生争取出国交流的机会，并面向本科生举办各种线下、线上学术讲座。在学术队伍建设上，张需明大力扶持优秀人才，从项目、资金、曝光度、学术合作等方面给予充分关怀。
虽然身处管理职位，但是张需明从来不认为好的队伍是“管”出来的，而应启发引导，创造自由开放的氛围，提供充满人性化的服务，帮助大家解决一些共性的问题。张需明相信，绝大部分人都会在自我驱动中，尽情生长。
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原标题：《科技人物 | 张需明：行山于微尺度世界》